JP2013093169A - ヒートシンク及びこれを備えた照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性能を高めることができるヒートシンクを提供することに。
【解決手段】背面に複数の放熱フィン１２を平行に立設して成るベースプレート１１の表面上のＬＥＤ（熱源）２からの熱を放熱するためのヒートシンク１０において、前記放熱フィン１２にスリット１２ａ（又は孔）を形成する。又、前記スリット１２ａ（又は孔）の面積の総和を各放熱フィン１２の表面積の総和に対して（１／５〜４／５）に設定する。更に、前記ＬＥＤ２の背面に位置する前記放熱フィン１２については、前記ＬＥＤ２を取り付ける位置の背面には前記スリット１２ａ（又は孔）を形成しない。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤやレーザーダイオード等の熱源が搭載されたベースプレートの背面に複数の放熱フィンを立設して成るヒートシンク及びこれを備えた照明装置に関するものである。

近年、半導体の消費電力が加速度的に上昇するのに伴って該半導体の発熱量が増加しているため、高性能の冷却システムに対する需要が高まっている。又、小型化のために高密度に集積された回路においても消費される電力は増加傾向にあり、発熱量と同時に発熱密度も急激に上昇している。

半導体であるＬＥＤ（発光ダイオード）やレーザーダイオード等の発光素子においても、明るさの向上に伴って従来の表示用としての用途から照明用としての用途も増えており、その消費電力も増加傾向にある。

ところが、ＬＥＤ等の発光素子の最大の問題は、投入した電力の大部分が熱となり、自身が発する熱によって発光効率と寿命が低下するという点である。特に、大電力を消費する発光素子にあっては、チップ当たり数Ｗもの発熱を受け止められるだけの放熱構造が求められており、この発熱を伝導させるために従来の樹脂基板に代えて熱伝導率の高いメタルコア基板やセラミック基板が実用化されている。

又、ベースプレートの背面に複数の放熱フィンを立設して成るヒートシンクによる放熱によって発光素子の発熱を抑える冷却構造も実用化されている。ここで、従来のＬＥＤ照明装置のヒートシンクによる冷却構造の一例を図５に示す。

即ち、図５は従来のＬＥＤ照明装置のヒートシンクによる冷却構造の一例を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は（ａ）のＩ−Ｉ線断面図、（ｄ）は側面図、（ｅ）は背面図、（ｆ）は斜視図であり、図示のＬＥＤ照明装置１０１に設けられたヒートシンク１１０は、熱伝導率の高いアルミニウム合金製であって、矩形プレート状のベースプレート１１１の背面に、上下方向に長い矩形プレート状の複数枚（図示例では２０枚）の放熱フィン１１２を左右方向に適当な間隔で垂直に立設して構成されている。そして、このヒートシンク１１０の表面には、縦横３列、計９個のＬＥＤ１０２を実装して成る矩形プレート状の基板１０３が取り付けられており、該基板１０３とこれに実装されたＬＥＤ１０２は矩形のアウタレンズ１０４によって覆われている。

而して、９個のＬＥＤ１０２に通電されてこれらが発光すると、該ＬＥＤ１０２から発せられる熱はヒートシンク１１０のベースプレート１１１から各放熱フィン１１２ヘと伝導し、各放熱フィン１１２から空気中へと放熱されることによってＬＥＤ１０２が冷却されてその温度上昇が抑えられる。

ところで、特許文献１には、ヒートシンクの放熱性能を高めるために、筒状体が並列に複数連結された放熱フィンの下端とベースプレート上面との間に空隙を形成する構成が提案されている。これによれば、放熱フィンの下端とベースプレート上面との間の空隙から外部の空気が流入するため、熱源からの熱が伝導するベースプレートの上面を空気が流れてヒートシンクの放熱性が高められる。

特開２００８−１５９９９５号公報

図５に示す従来のヒートシンク１１０においては、その放熱性能を高めるためには当該ヒートシンク１１０のサイズを大きくしてその放熱面積を増やす必要があり、このようにヒートシンク１１０のサイズを大きくするとＬＥＤ照明装置１０１が大型化及び項重量化するという問題が発生する。

又、ヒートシンク１１０に対流によるほう熱性能が該ヒートシンク１１０の設置方向によって低下するという問題があった。特に、ヒートシンクのベースプレートが空気の対流方向（下から上）と垂直になるようにヒートシンクを取り付けた場合、特許文献１や図５に示す構成を採用すると、下から上昇した空気が上方のベースプレート及び側方の放熱フィンに阻まれることによって対流が停滞し、放熱フィンによる対流効果が十分に発揮されない。そのため、ヒートシンクの放熱性が低下するという問題があった。照明装置として使用する場合においては、光源である発光素子の照射方向を任意の方向に向ける必要があるため、特にこの問題が起こり易い。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、放熱性能を高めることができるヒートシンク及び小型化と軽量化を図ることができる照明装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、背面に複数の放熱フィンを平行に立設して成るベースプレートの表面上の熱源からの熱を放熱するためのヒートシンクにおいて、前記放熱フィンにスリット又は孔を形成したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記スリット又は孔の面積の総和を各放熱フィンの表面積の総和に対して（１／５〜４／５）に設定したことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記熱源の背面に位置する前記放熱フィンについては、前記熱源を取り付ける位置の背面には前記スリット又は孔が形成されていないことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何れかに記載の発明において、前記スリット又は孔を、隣接する前記放熱フィンについて互い違いに形成したことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４の何れかに記載の発明において、前記ベースプレートにスリット又は孔を形成したことを特徴とする。

請求項７記載の照明装置は、前記ベースプレートの表面又は同ベースプレートの表面上に設けられた基板上に実装された発光素子を前記熱源とする請求項１〜５の何れかに記載のヒートシンクを有することを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項６記載の発明において、前記発光素子を覆うアウタレンズを設けたことを特徴とする。

請求項１、６及び７記載の発明によれば、ヒートシンクのベースプレートの背面に立設された複数の放熱フィンの各々にスリット又は孔を形成したため、熱伝導による冷却フィンからの放熱に加えてスリット又は孔を通過する気流によって放熱による対流効果が促進される。このため、ヒートシンクの放熱性が高められ、ＬＥＤの温度上昇が抑えられてその発光効率と寿命が高められる。このようにヒートシンクの放熱性能が高められるため、ヒートシンクを小型・軽量化することができ、放熱フィンにスリット又は孔を形成することによるヒートシンクの軽量化とも相俟って照明装置の小型化と軽量化を実現することができる。

又、照明装置の光の照射方向が上向きや下向きである場合には放熱による対流効果が高められるためにヒートシンクの放熱性能が一層高められる。

請求項２記載の発明によれば、各放熱フィンにおけるスリット又は孔の面積の総和が各放熱フィンの表面積の総和に対して占める割合を（１／５〜４／５）の範囲に設定することによって、ヒートシンクの放熱性能が効果的に高められる。即ち、各放熱フィンにおけるスリット又は孔の面積の総和が各放熱フィンの表面積の総和に対して占める割合は、熱伝導と対流による放熱のバランスに影響し、両者の間にはトレードオフの関係が成立するが、その割合が（１／５〜４／５）の範囲にあるときにヒートシンクの放熱性能が効果的に高められることが実験的に確かめられた。

請求項３記載の発明によれば、熱源からの熱伝導が大きな熱源の背面に位置する放熱フィンについては、熱源の背面位置にはスリット又は孔を形成しないようにしたため、この部分の熱伝導による放熱効果が高められてヒートシンク全体の放熱性能も高められる。

請求項４記載の発明によれば、各放熱フィンに形成されるスリット又は孔を、隣接する放熱フィンについて互い違いに形成したため、これらのスリット又は孔を通過する空気が複雑な流れを起こして放熱による対流効果を促進するため、ヒートシンクの放熱性能が一層高められる。

請求項５記載の発明によれば、ヒートシンクの各放熱フィンに加えてベースプレートにもスリット又は孔を形成したため、放熱による対流効果が一層促進されてヒートシンクの放熱性能が更に高められる。

本発明の実施の形態１に係るヒートシンクを備えるＬＥＤ照明装置を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｄ）は側面図、（ｅ）は背面図、（ｆ）は斜視図である。 本発明の実施の形態２に係るヒートシンクを備えるＬＥＤ照明装置を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｄ）は側面図、（ｅ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図、（ｆ）は背面図、（ｇ）は斜視図である。 本発明の実施の形態３に係るヒートシンクを備えるＬＥＤ照明装置を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は（ａ）のＤ−Ｄ線断面図、（ｄ）は側面図、（ｅ）は背面図、（ｆ）は斜視図である。 本発明の実施の形態４に係るヒートシンクを備えるＬＥＤ照明装置を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は（ａ）のＥ−Ｅ線断面図、（ｄ）は側面図、（ｅ）は（ａ）のＦ−Ｆ線断面図、（ｆ）は（ａ）のＧ−Ｇ線断面図、（ｇ）は（ａ）のＨ−Ｈ線断面図、（ｇ）は背面図、（ｉ）は斜視図である。 従来のＬＥＤ照明装置の冷却構造を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は（ａ）のＩ−Ｉ船断面図、（ｄ）は側面図、（ｅ）は背面図、（ｆ）は斜視図である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

＜実施の形態１＞
図１は本発明の実施の形態１に係るＬＥＤ照明装置のヒートシンクを示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｄ）は側面図、（ｅ）は背面図、（ｆ）は斜視図である。

本実施の形態に係るＬＥＤ照明装置１には、光源であるＬＥＤ２の冷却構造としてヒートシンク１０が備えられている。ここで、ヒートシンク１０は、熱伝導率の高いアルミニウム合金製であって、矩形プレート状のベースプレート１１の背面に、上下方向に長い矩形プレート状の複数枚（図示例では２０枚）の放熱フィン１２を左右方向に適当な間隔で垂直に立設して構成されている。そして、このヒートシンク１０の表面には、光源であるＬＥＤ２が横方向に適当な間隔で実装された細長い矩形プレート状の基板３が縦方向に適当な間隔で３段に亘って取り付けられている。従って、ＬＥＤ照明装置１には縦横３列、計９個のＬＥＤ２が光源として使用されている。

又、ヒートシンク１０のベースプレート１１の表面には、これに取り付けられた上下３段の基板３及びこれに実装された３つのＬＥＤ２を表面側から覆うアウタレンズ４が上下３段に亘って取り付けられている。

而して、本実施の形態に係るＬＥＤ照明装置１においては、図１（ｄ）及び（ｆ）に示すようにヒートシンク１０の各放熱フィン１２には横方向に長い複数（図示例では、６つ）の矩形のスリット１２ａが縦方向に沿って適当な間隔で形成されている。ここで、各ＬＥＤ２の背面に位置する放熱フィン１２については、ＬＥＤ２の背面位置を除く部位にスリット１２ａが形成されている。つまり、各放熱フィン１２のＬＥＤ２の背面に位置する部位にはスリット１２ａが形成されていない。

又、本実施の形態では、ヒートシンク１０の各放熱フィン１２において、複数（６つ）のスリット１２ａの面積の総和が各放熱フィン１２の表面積の総和に対して占める割合が（１／５〜４／５）に設定されている。

以上のように構成されたＬＥＤ照明装置１において、計９個のＬＥＤ２に通電されてこれらが発光すると、各ＬＥＤ２から出射する光は、アウタレンズ４を透過して前方（図１（ａ）の手前側、図１（ｄ）の左方）へと出射されて前方の照明に供される。

又、各ＬＥＤ２の発光によって発生する熱は、ヒートシンク１０のベースプレート１１から各放熱フィン１２ヘと伝導し、各放熱フィン１２から空気中へと放熱されることによって各ＬＥＤ２が冷却されるとともに、放熱フィン１２の各々に形成されたスリット１２ａを通過する気流によって放熱による対流効果が促進されるため、ヒートシンク１０の放熱性が高められ、各ＬＥＤ２の温度上昇が抑えられてその発光効率と寿命が高められる。このようにヒートシンク１０の放熱性能が高められるため、該ヒートシンク１０を小型・軽量化することができ、放熱フィン１２にスリット１２ａを形成することによるヒートシンク１０の軽量化とも相俟ってＬＥＤ照明装置１の小型化と軽量化を実現することができる。

そして、ＬＥＤ照明装置１の光の照射方向が上向きや下向きである場合には放熱による対流効果が高められるためにヒートシンク１０の放熱性能が一層高められる。

又、本実施の形態では、発熱源であるＬＥＤ２からの熱伝導が大きなＬＥＤ２の背面に位置する放熱フィン１２については、ＬＥＤ２の背面位置にはスリット１２ａを形成しないようにしたため、この部分の熱伝導による放熱効果が高められてヒートシンク１０全体の放熱性能が高められる。

更に、本実施の形態においては、ヒートシンク１０の各放熱フィン１２におけるスリット１２ａの面積の総和が各放熱フィン１２の表面積の総和に対して占める割合を（１／５〜４／５）の範囲に設定することによって、ヒートシンク１０の放熱性能が効果的に高められる。即ち、各放熱フィン１２におけるスリット１２ａの面積の総和が各放熱フィン１２の表面積の総和に対して占める割合は、熱伝導と対流による放熱のバランスに影響し、両者の間にはトレードオフの関係が成立するが、その割合が（１／５〜４／５）の範囲にあるときにヒートシンク１０の放熱性能が効果的に高められることが実験的に確かめられた。具体的には、各放熱フィン１２におけるスリット１２ａの面積の総和が各放熱フィン１２の表面積の総和に対して占める割合が１／５より小さい場合にはＬＥＤ２の温度が１４０℃、４／５より大きい場合にはＬＥＤ２の温度が１３０℃であるのに対して、１／５〜４／５である場合にはＬＥＤ２の温度は６８℃まで下がることが確認された。

尚、本実施の形態では、ヒートシンク１０の各放熱フィン１２に６つのスリット１２ａを形成したが、スリット１２ａの数は任意に設定することができる。

＜実施の形態２＞
次に、本発明の実施の形態２を図２に基づいて以下に説明する。

図２は本発明の実施の形態２に係るヒートシンクを備えるＬＥＤ照明装置を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｄ）は側面図、（ｅ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図、（ｆ）は背面図、（ｇ）は斜視図であり、本図においては図１において示したものと同一要素には同一符号を付しており、以下、それらについての再度の説明は省略する。

本実施の形態は、図２（ｄ），（ｅ），（ｇ）に示すようにヒートシンク１０の各放熱フィン１２に円形や四角形の孔１２ｂを形成したことを特徴としており、その他の構成は前記実施の形態１のそれと同じである。尚、本実施の形態においても、図２（ｄ），（ｅ）に示すように各ＬＥＤ２の背面に位置する放熱フィン１２については、ＬＥＤ２の背面位置を除く部位に孔１２ｂが形成されている。つまり、各放熱フィン１２のＬＥＤ２の背面に位置する部位には孔１２ｂが形成されていない。又、ヒートシンク１０の各放熱フィン１２において、２つの孔１２ｂの面積の総和が各放熱フィン１２の表面積の総和に対して占める割合は（１／５〜４／５）に設定されている。

而して、本実施の形態においても前記実施の形態１と同様の効果が得られる。尚、ヒートシンク１０の各放熱フィン１２に形成される孔１２ｂの形状は任意であって、円形や四角形以外に三角形や多角形等の形状を採用することができる。

＜実施の形態３＞
次に、本発明の実施の形態３を図３に基づいて以下に説明する。

図３は本発明の実施の形態３に係るヒートシンクを備えるＬＥＤ照明装置を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は（ａ）のＤ−Ｄ線断面図、（ｄ）は側面図、（ｅ）は背面図、（ｆ）は斜視図であり、本図においても図１において示したものと同一要素には同一符号を付しており、以下、それらについての再度の説明は省略する。

本実施の形態は、ヒートシンク１０のベースプレート１１に横方向に長い４つのスリット１１ａを上下方向に適当な間隔で形成したことを特徴としている、他の構成は前記実施の形態１のそれと同じである。具体的には、４つのスリット１１ａはベースプレート１１の上下３段に亘って取り付けられた基板３とこれ覆うアウタレンズ４を除く部位に形成されている。そして、本実施の形態では、ヒートシンク１０のベースプレート１１に形成されたスリット１１ａの面積の総和がベースプレート１１の面積に対して占める割合は（１／５〜４／５）に設定されている。

而して、本実施の形態に係るＬＥＤ照明装置１においては、ヒートシンク１０の各放熱フィン１２に形成された複数のスリット１２ａによる効果に加えて、ベースプレート１１に形成されたスリット１１ａによっても放熱による対流効果が促進されるため、ヒートシンク１０の放熱性能が一層高められる。

尚、本実施の形態ではヒートシンク１０のベースプレート１１に矩形の４つのスリット１１ａを形成したが、スリット１１ａの形状と数は任意である。又、ベースプレート１１にはスリット１１ａに代えて孔を形成しても良く、その孔の形状と数も任意である。

＜実施の形態４＞
次に、本発明の実施の形態４を図４に基づいて以下に説明する。

図４は本発明の実施の形態４に係るヒートシンクを備えるＬＥＤ照明装置を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は（ａ）のＥ−Ｅ線断面図、（ｄ）は側面図、（ｅ）は（ａ）のＦ−Ｆ線断面図、（ｆ）は（ａ）のＧ−Ｇ線断面図、（ｇ）は（ａ）のＨ−Ｈ線断面図、（ｇ）は背面図、（ｉ）は斜視図であり、本図においては図３において示したものと同一要素には同一符号を付しており、以下、それらについての再度の説明は省略する。

本実施の形態は、前記実施の形態３に係るＬＥＤ照明装置１のヒートシンク１０において、複数のスリット１２ａを隣接する放熱フィン１２について互い違いに形成したことを特徴としている。具体的には、図４（ｅ）に示すように或る放熱フィン１２においては上下方向に６つのスリット１２ａが形成され、この放熱フィン１２に隣接する他の放熱フィ１２においては図４（ｇ）に示すように５つのスリット１２ａがピッチを半ピッチずらせた状態で形成されているため、隣接する放熱フィン１２においては複数のスリット１２ａが上下方向に沿って互い違いに形成されていることになる（図４（ｄ）参照）。又、図４（ｆ）に示すように、幅方向中央の放熱フィン１２においては３つのスリット１２ａが形成されており、このスリット１２ａとその両側の隣接する左右の放熱フィン１２に形成されたスリット１２ａとは互い違いに配置されている。尚、本実施の形態においても、各ＬＥＤ２の背面に位置する放熱フィン１２については、各放熱フィン１２のＬＥＤ２の背面に位置する部位にはスリット１２ａが形成されていない（図４（ｅ）〜（ｇ）参照）。又、ヒートシンク１０の各放熱フィン１２ａにおいて、スリット１２ａの面積の総和が各放熱フィン１２の表面積の総和に対して占める割合は（１／５〜４／５）に設定されている。

而して、本実施の形態によれば、ヒートシンク１０の各放熱フィン１２ａに形成されたスリット１２ａを隣接する放熱フィン１２について互い違いに形成したため、これらのスリット１２ａを通過する空気が複雑な流れを起こして放熱による対流効果を促進するため、ヒートシンク１０の放熱性能が一層高められるという効果が得られる。

尚、以上の実施の形態では、光源（熱源）としてＬＥＤを使用するＬＥＤ照明装置とこれに備えられるヒートシンクに対して本発明を適用した形態について説明したが、本発明は、ＬＥＤ以外のレーザーダイオード等の発光素子を光源として使用する照明装置とこれに備えられたヒートシンクに対しても同様に適用可能である。又、以上の実施の形態では、ＬＥＤは基板上に実装されているが、ＬＥＤ等の発光素子がヒートシンクのベースプレートに直接実装されていても良い。

本発明は、ライトアップ照明、スタジアム照明、街路灯照明、道路灯照明、一般照明等の用途に供せられる照明装置とこれ二備えられたヒートシンクに対して適用可能である。

１ ＬＥＤ照明装置（照明装置）
２ ＬＥＤ（熱源）
３ 基板
４ アウタレンズ
１０ ヒートシンク
１１ ベースプレート
１１ａ ベースプレートのスリット
１２ 放熱フィン
１２ａ 放熱フィンのスリット
１２ｂ 放熱フィンの孔

Claims (7)

1. 背面に複数の放熱フィンを平行に立設して成るベースプレートの表面上の熱源からの熱を放熱するためのヒートシンクにおいて、
   前記放熱フィンにスリット又は孔を形成したことを特徴とするヒートシンク。
2. 前記スリット又は孔の面積の総和を各放熱フィンの表面積の総和に対して（１／５〜４／５）に設定したことを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。
3. 前記熱源の背面に位置する前記放熱フィンについては、前記熱源を取り付ける位置の背面には前記スリット又は孔が形成されていないことを特徴とする請求項１又は２記載のヒートシンク。
4. 前記スリット又は孔を、隣接する前記放熱フィンについて互い違いに形成したことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のヒート
   シンク。
5. 前記ベースプレートにスリット又は孔を形成したことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のヒートシンク。
6. 前記ベースプレートの表面又は同ベースプレートの表面上に設けられた基板上に実装された発光素子を前記熱源とする請求項１〜５の何れかに記載のヒートシンクを有することを特徴とする照明装置。
7. 前記発光素子を覆うアウタレンズを設けたことを特徴とする請求項６記載の照明装置。
   

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